CN100585811C - 半绝缘SiC半导体器件的欧姆接触制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半绝缘SiC半导体器件的欧姆接触制作方法，主要解决欧姆接触的比接触电阻大的问题。其过程是：对SiC衬底进行预处理，并在SiC衬底上外延GaN重掺杂层或SiC:Ge过渡层；在GaN重掺杂层或SiC:Ge过渡层上确定欧姆接触区域，并对欧姆接触区域之间的GaN重掺杂或SiC:Ge过渡层区进行KOH刻蚀，使该沟道区的SiC衬底为Si面；在欧姆接触区域上和所述沟道区的Si面上，淀积一层高介电常数的SiN材料；刻蚀掉欧姆接触区域上的SiN材料，并在该区域淀积金属，引出电极。本发明具有比接触电阻和方块电阻低，使用寿命长的优点，可用于对半绝缘SiC半导体器件的欧姆接触制作。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件的制作，具体地说是有关半绝缘型SiC器件的欧姆接触制作方法。
背景技术
SiC材料作为第三代半导体材料，相对于以Si为代表的第一代半导体材料和以GaAs为代表的第二代半导体材料具有相当多的优势，由于其具有较大的禁带宽度，可在更高温度下工作，同时有助于大功率器件的制备，大的载流子饱和漂移速度和迁移率，为器件的响应速度提供了良好的基础。目前，SiC器件的研制已经成为半导体器件电路领域的研究热点。欧姆接触是SiC器件制备的重要工序，在高温大功率应用时，欧姆接触的低比接触电阻和高的稳定性是决定器件性能的两个重要因素。在高电流密度的工作状态下小的电阻都会引起很大的电压降，而高温下欧姆接触比接触电阻的热稳定性是必然要考虑的因素，否则欧姆接触的退化会导致整个器件性能的变坏甚至失效。到目前为止，良好的欧姆接触制备对SiC材料的工艺研究来讲仍然是几个最重要和活跃的方面之一。
然而，制作低的SiC器件的欧姆接触其他半导体器件要困难。目前n型和p型SiC欧姆接触的比接触电阻值通常分别在10-5-10-6Ωcm2和10-4-10-5Ωcm2的范围，且该比接触电阻的结果高度依赖于晶片表面载流子浓度、金属的选择、晶片表面的预处理及金属化热退火的条件。为了得到好的欧姆接触，通常使用离子注入来提高晶片表面的载流子浓度，或者通过高温合金化退火，或者使用合金和其他化合物制作欧姆接触。
目前，n型SiC的欧姆接触主要通过Ni基金属在950-1050℃进行金属化退火来得到，其比接触电阻值基本可以达到器件应用的要求。但是对于半绝缘SiC材料来说，通常是用Al-Ti金属和硅化物在900-1180℃进行金属化退火，由于接触的势垒高度更高导致了形成低的比接触电阻难度更大，影响器件性能。
在SiC欧姆接触的金属方面，可供选用的范围很广，有Cr、Ni、TiN、TiW、NiCr、W、TiW、Ti、TiAl、Mo、Wmo、AuTa、TiAu、Ta、WtiNi和TiC金属或合金。目前，SiC材料的欧姆接触金属的选择已从只用单一的金属向多金属或合金的研究方向发展，并且出现了碳化物、硅化物、硼化物等。而欧姆接触制备的合金化退火条件更是多种多样，因而对于半绝缘SiC器件的欧姆接触至今还没有一种成熟的制作方法。
发明的内容
本发明的目的是提供一种半绝缘SiC半导体器件的欧姆接触制作方法，以解决半绝缘SiC因接触势垒高而不易形成低的比接触电阻问题，提高半绝缘SiC器件的使用寿命和输出特性。
实现本发明的目的技术关键是在半绝缘SiC和金属之间增加一层SiC:Ge过渡层或GaN重掺杂层起到缓冲的作用，便于欧姆接触的制作。
技术方案1，制作半绝缘SiC半导体器件的欧姆接触过程如下：
(1)对SiC衬底进行预处理，并在SiC衬底上外延生长GaN重掺杂层；
(2)在重掺杂层上确定欧姆接触区域，并对欧姆接触区域之间的重掺杂沟道区进行KOH刻蚀，使该沟道区的SiC衬底为Si面；
(3)在欧姆接触区域上和所述沟道区的Si面上，淀积一层高介电常数SiN材料；
(4)刻蚀掉欧姆接触区域上的SiN材料，并在该区域淀积金属，引出电极。
技术方案2，制作半绝缘SiC半导体器件的欧姆接触过程如下：
1)对SiC衬底进行预处理与清洗，在SiC衬底上外延生长SiC:Ge的过渡层；
2)在过渡层上确定欧姆接触区域，并对接触区域之间的过渡层沟道区进行KOH刻蚀，使该沟道区的SiC衬底为Si面；
3)在姆接触区域上和所述沟道区的Si面上，淀积一层高介电常数SiN材料；
4)刻蚀掉欧姆接触区域上的SiN材料，并在该区淀积金属，引出电极。
上述技术方案1的步骤(4)中所述的淀积金属分为两种情况：对于n型GaN材料的重掺杂区，是通过电子束蒸Ti、Al、Ti和Au，形成Ti/Al/Ti/Au结构，并在温度为900±5℃，时间为60s的条件下进行退火处理；对于p型GaN材料的重掺杂区，是通过电子束蒸Ni、Ti和Au，形成Ni/Ti/Au结构，并在温度为950±5℃，时间为90s的条件下进行退火处理。
上述技术方案2的步骤4)中所述的淀积金属，是通过电子束蒸厚度为3nm的Ti和厚度为200nm的Ni，形成Ti/Ni结构，并对该Ti/Ni结构在氮氛围中退火，退火温度为800±5℃的，持续时间3min。
本发明具有如下优点：
1.由于在半绝缘SiC和金属之间外延一层SiC:Ge过渡层，以形成组份渐变的材料，有效的降低了接触势垒，可在温度较低的800±5℃进行退火处理，比常规的退火温度低了150℃。
2.由于采用在半绝缘SiC和金属之间增加一层GaN重掺杂层，该掺杂层的GaN材料与半绝缘SiC材料的禁带宽度接近，形成两种材料之间的良好匹配，便于欧姆接触的制作。
测试表明，用本发明方法制作的半绝缘4H-SiC光导开关欧姆接触的开态电阻在20-35Ω范围之内，暗态电阻在4.86×1012-5.08×1012Ω范围内，暗态电阻与开态电阻之比在1.39×1011-2.54×1011范围之内，而国内在半绝缘SiC欧姆接触尚未见报道。
附图说明
图1是本发明技术方案1的流程图；
图2是本发明技术方案2的流程图。
具体实施方式
本发明的方法可以用于制作各种半绝缘SiC半导体器件的欧姆接触，例如，半绝缘SiC光导开关，半绝缘SiC晶体管和半绝缘SiC大规模集成电路的欧姆接触。
实施例1，以半绝缘4H-SiC光导开关为例，详细描述本发明制作半绝缘4H-SiC半导体器件欧姆接触的具体过程。
参照图1，本发明在半绝缘4H-SiC光导开关上制作欧姆接触的过程如下：
步骤1，对所采用的半绝缘4H-SiC材料进行预处理。
首先，用熔融态KOH对半绝缘4H-SiC基片表面进行钝化，刻蚀温度和刻蚀时间分别为210℃、15s；然后，对钝化后的晶片依次用丙酮、甲醇、去离子水将样片清洗干净，最后，用RCA标准清洗工艺清除基片表面的氧化层。
步骤2，外延生长重掺杂层。
在预处理后的基片上采用OMVPE方法外延生长重掺杂的GaN重掺杂层，对于深受主补偿型半绝缘4H-SiC采用p型GaN重掺杂层，掺杂剂量为4×1019，掺杂的最佳厚度为100nm；对于深施主补偿型半绝缘SiC采用n型GaN重掺杂层，掺杂剂量为3.8×1019厚度为100nm，掺杂的最佳厚度为100nm。
步骤3，确定电极接触区，并刻蚀电极接触区之间的重掺杂层，并将4H-SiC外表面处理成Si面。
首先，采用公知的光刻技术确定电极接触区域；再用湿刻蚀工艺在130±5℃和80％KOH溶液中将所述的基片浸泡3min，以刻蚀掉重掺杂GaN层；然后将刻蚀后的4H-SiC材料处理成Si面，并对该Si表面进行化学清洗。
步骤4，在重掺杂层上及重掺杂区之间的Si面上外延一层高介电常数SiN。
外延SiN采用超高真空等离子区增强化学气相沉积法，在重掺杂层与重掺杂区之间的整个Si面进行，其工艺条件是：背景真空度为8×10-9Torr，反应室温度维持在300±5℃，为了工艺的简便使其厚度与GaN重掺杂层厚度相同。
步骤5，刻蚀重掺杂层上的SiN。
将外延SiN后的基片浸泡在浓H3PO4刻蚀液中，刻蚀掉电极接触区上的SiN层。
步骤6，沉积金属。
首先，对重掺杂区用RCA方法对样品表面进行清洗；
其次，对重掺杂后的GaN材料进行金属淀积，即：
对于深受主补偿型半绝缘4H-SiC采用p型GaN重掺杂层，沉积金属采用Ni/Ti/Au结构，其中Ni、Ti采用电子束蒸、Au采用热蒸法，整个Ni/Ti/Au金属结构的厚度分别为：NiTi
Au
对于深施主补偿型半绝缘4H-SiC采用n型GaN重掺杂层采用Ti/Al/Ti/Au结构，其中的Ti采用电子束蒸、Au、Al采用热蒸法，整个Ti/Al/Ti/Au金属结构的厚度分别为：Ti
Al
Ti
Au
然后，对该金属层在氮氛围中进行快速退火处理，即：
对于沉积Ni/Ti/Au结构的金属，采用在950±5℃温度下保温90s退火；
对于沉积Ni/Ti/Au结构的金属，采用在900±5℃温度下保温60s退火。在Ni/Ti/Au或Ni/Ti/Au金属层上焊接管脚引线，并与整体器件封装。
参照图2，本发明在半绝缘4H-SiC光导开关上制作欧姆接触另一方案的过程如下：
步骤1，对所采用的半绝缘4H-SiC材料进行预处理。
首先，用熔融态KOH对半绝缘SiC基片表面进行钝化，刻蚀温度为210±5℃，刻蚀时间为15s；然后，对钝化后的晶片依次用丙酮、甲醇和去离子水将基片清洗干净，最后，用RCA标准清洗工艺清除基片表面的氧化层。
步骤2，外延生长4H-SiC:Ge过渡层。
在预处理后的基片上采用HWCVD方法外延生长4H-SiC:Ge过渡层，其厚度最小为250nm。
步骤3，确定电极接触区，并刻蚀电极接触区之间的4H-SiC:Ge过渡层，并将4H-SiC外表面处理成Si面。
首先，采用公知的光刻技术确定电极接触区域；再用常规的离子束刻蚀工艺刻蚀掉接触区域之间的4H-SiC:Ge过渡层；然后将刻蚀后的4H-SiC材料处理成Si面，并对该Si表面进行化学清洗。
步骤4，在4H-SiC:Ge过渡层上及4H-SiC:Ge过渡层之间的Si面上外延高介电常数SiN。
外延SiN采用超高真空等离子区增强化学气相沉积法，在过渡层与过渡层区之间的整个Si面进行，其工艺条件是：背景真空度为8×10-9Torr，反应室温度维持在300±5℃。为了工艺的简便使其外延SiN的厚度与4H-SiC:Ge过渡层厚度相同，这里也取为250nm。
步骤5，刻蚀4H-SiC:Ge过渡层上的SiN。
将外延SiN后的基片浸泡在浓H3PO4刻蚀液中，刻蚀掉电极接触区上的SiN层。
步骤6，沉积金属。
首先，对过渡层区用RCA方法对样品表面进行清洗；再对4H-SiC:Ge过渡层采用电子束蒸法沉积Ti/Ni结构，其厚度分别为Ti 3nm和Ni 200nm；然后对该Ti/Ni结构在氮氛围中退火，退火温度为800±5℃，持续时间3min。在Ti/Ni金属层上焊接管脚引线，并与整体器件封装。
实施例2，以半绝缘3C-SiC光导开关为例。
用重掺杂层制作其欧姆接触的步骤与实施例1的方案1相同，唯一不同的是步骤2中对于深受主补偿型半绝缘4H-SiC采用p型GaN重掺杂层，掺杂剂量为2.875×1019，掺杂最佳厚度为71.88nm；对于深施主补偿型半绝缘SiC采用n型GaN重掺杂层，掺杂剂量为2.73×1019，掺杂最佳厚度为71.88nm。
用中间层制作欧姆接触的步骤与实施例1的方案2基本相同，唯一不同的是步骤2中外延3C-SiC:Ge的最佳厚度为180nm。
实施例3，以半绝缘6H-SiC光导开关为例。
用重掺杂层制作其欧姆接触的步骤与实施例1的方案1相同，唯一不同的是步骤2中对于深受主补偿型半绝缘4H-SiC采用p型GaN重掺杂层，掺杂剂量为3.75×1019，掺杂最佳厚度为93.75nm；对于深施主补偿型半绝缘SiC采用n型GaN重掺杂层，掺杂剂量为3.56×1019，掺杂最佳厚度为93.75nm。
用中间层制作欧姆接触的步骤与实施例1的方案2基本相同，唯一不同的是步骤2中外延3C-SiC:Ge的最佳厚度为234nm。
本发明的效果可以通过实测实验结果进一步说明：
实测实验1，对用本发明方法1制作的半绝缘4H-SiC光导开关在常温下进行测试，其欧姆接触的开态电阻在26-35Ω范围之内，暗态电阻在4.78×1012-4.97×1012Ω范围内，暗态电阻与开态电阻之比在1.37×1011-1.91×1011范围之内，光导开关的I-V特性结果表明，当外加偏压为1000V时，输出电流可达到46.3A，与同等条件下的GaAs光导开关相比，具有更强的输出能力。
实测实验2，对用本发明方法2制作的光导开关在常温下进行测试，其欧姆接触的开态电阻在20-30Ω范围之内，暗态电阻在4.92×1012-5.10×1012Ω范围内，暗态电阻与开态电阻之比在1.94×1011-2.50×1011范围之内，光导开关的I-V特性结果表明，当外加偏压为1000V时，输出最大电流可达到48.9A，与同等条件下的GaAs光导开关相比，具有更强的输出能力。
实测实验表明，用本明方法制作的半绝缘SiC半导体光导开关具有良好的输出特性，其开态电阻在20-35Ω范围之内，暗态电阻在4.86×1012-5.08×1012Ω范围内，暗态电阻与开态电阻之比在1.39×1011-2.54×1011范围之内，在国内尚未见此类报道。
本发明的方法不限于制作本实例的光导开关，所以上述实例不构成对本发明的任何限制，显然在所述技术领域用本发明的方法可以制作其它的半绝缘SiC半导体器件，但这些方法均属本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种半绝缘SiC半导体器件的欧姆接触制作方法，包括如下过程：
(1)对SiC衬底进行预处理，并在SiC衬底上外延生长GaN重掺杂层；
(2)在所述重掺杂层上确定欧姆接触区域，并对欧姆接触区域之间的GaN重掺杂区进行KOH刻蚀，使该沟道区的SiC衬底为Si面；
(3)在欧姆接触区域上和所述沟道区的Si面上，淀积一层高介电常数的SiN材料；
(4)刻蚀掉欧姆接触区域上的SiN材料，并在该区域淀积金属，引出电极。
2.根据权利要求1所述的欧姆接触的制作方法，其中步骤(1)所述的在SiC衬底外延生长重掺杂层，对于p型GaN重掺杂层，掺杂剂量为2.875×1019～4×1019，掺杂层的厚度为71～100nm；对于n型GaN重掺杂层，掺杂剂量为2.73×1019～3.8×1019，掺杂层的厚度为71～100nm。
3.根据权利要求1所述的欧姆接触制作方法，其中步骤(3)所述的淀积高介电常数SiN的厚度与重掺杂层相同。
4.根据权利要求1所述的欧姆接触的制作方法，其中步骤(4)所述的淀积金属，对于n型GaN材料的重掺杂区，是通过电子束蒸Ti、Al、Ti和Au，形成Ti/Al/Ti/Au结构，并在温度为900±5℃，时间为60s的条件下进行退火处理。
5.根据权利要求1所述的欧姆接触的制作方法，其中步骤(4)所述的淀积金属，对于p型GaN材料的重掺杂区，是通过电子束蒸Ni、Ti和Au，形成Ni/Ti/Au结构，并在温度为950±5℃，时间为90s的条件下进行退火处理。
6.一种半绝缘SiC半导体器件欧姆接触的制作方法，包括如下过程：
1)对SiC衬底进行预处理，在SiC衬底上外延生长SiC:Ge的过渡层；
2)在过渡层上确定欧姆接触区域，并对接触区域之间的过渡层沟道区进行KOH刻蚀，使该沟道区的SiC衬底为Si面；
3)在姆接触区域上和所述沟道区的Si面上，淀积一层高介电常数SiN材料；
4)刻蚀掉欧姆接触区域上的SiN材料，并在该区淀积金属，引出电极。
7.根据权利要求6所述的欧姆接触的制作方法，其中步骤1)所述的在SiC衬底上外延生长的SiC:Ge过渡层，其厚度为180-250nm。
8.根据权利要求6所述的欧姆接触的制作方法，其中步骤3)所述的在欧姆接触区域上和沟道区的Si面上淀积的高介电常数SiN材料的厚度与所述SiC:Ge过渡层的厚度相同。
9.根据权利要求6所述的欧姆接触制作方法，其中步骤4)所述的淀积金属，是通过电子束蒸厚度为3nm的Ti和厚度为200nm的Ni，形成Ti/Ni结构，并对该Ti/Ni结构在氮氛围中退火，退火温度为800±5℃，持续时间3min。
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